Выбор малошумного электродвигателя: откуда берётся шум и какие решения его снижают?

На вытяжной вентилятор на крыше отеля после 23.00 начинают поступать жалобы. Проводят замеры и выясняют, что вентилятор работает с 2-полюсным двигателем на прямом соединении. Двигатель исправен; он просто стоит не на своём месте и работает не на той частоте вращения. При переходе на ремённый привод и установке 4-полюсного двигателя рабочее колесо вентилятора при том же расходе не замедляется, но собственный гул двигателя и шелест охлаждающего вентилятора заметно снижаются. Большинство поисков малошумного электродвигателя начинается именно так: проблему описывают как «шумный двигатель», а решение чаще всего кроется в нескольких решениях на этапе выбора.

Ниже мы рассматриваем решения, действительно влияющие на шум, в порядке их значимости и на примерах из практики.

Сначала определите, откуда идёт шум

Шум работающего асинхронного двигателя исходит не из одного источника. На практике есть три составляющих:

• Магнитный гул: Возникает из-за того, что магнитные силы между статором и ротором вызывают вибрацию стали; это ровный тональный звук на частотах, кратных частоте сети.
• Аэродинамический шум: Создаётся охлаждающим вентилятором на валу и воздухом, проходящим между рёбрами корпуса. Очень быстро растёт с частотой вращения; у 2-полюсных двигателей обычно преобладает именно он.
• Механический шум: Подшипники, дисбаланс, ослабленные детали и машина, с которой соединён двигатель.

Помогает простой тест на объекте: отключите работающий двигатель выключателем и прислушайтесь к звуку. Тональный звук, исчезающий в момент отключения питания, имеет магнитное происхождение. Шелест, стихающий по мере замедления двигателя, идёт от вентилятора. Шум, который продолжается даже после остановки двигателя или усиливается при замедлении, чаще всего связан с монтажом, муфтой или приводимой машиной; в этом случае замена двигателя проблему не решит.

Число полюсов: решение, сильнее всего меняющее уровень шума

Окружная скорость концов лопастей охлаждающего вентилятора прямо пропорциональна частоте вращения, а создаваемая им звуковая мощность растёт с этой скоростью по гораздо более крутой кривой. Поэтому 2-полюсный (около 3000 об/мин) двигатель той же мощности почти всегда шумнее своего 4-полюсного (около 1500 об/мин) аналога. В применениях, чувствительных к шуму, — вентиляторах, насосах и кондиционерах центрального типа — первый вопрос таков: можно ли выполнить эту задачу с 4 или 6 полюсами?

У этого выбора есть механическая цена, и её нужно учитывать. Момент приблизительно рассчитывается как 9550 × кВт / об/мин. Двигатель 7,5 кВт при 2 полюсах выдаёт около 24 Н·м, а при 4 полюсах — около 48 Н·м; то есть двигатель с меньшей частотой вращения имеет больший габарит, меняются размеры вала и подшипников. В насосе с прямым соединением снижение частоты вращения означает и замену самого насоса. А в вентиляторе с ремённым приводом чаще всего достаточно пересчитать передаточное отношение шкивов.

Материал корпуса и рабочая точка

Чугунный корпус благодаря своей массе и внутреннему демпфированию излучает магнитную вибрацию меньше, чем алюминиевый. При малых мощностях разница ограничена, а при средних и больших она заметна и на слух. Стоимостную сторону материала мы отдельно рассмотрели в сравнении чугунного и алюминиевого корпуса.

Частая ошибка — выбирать двигатель на одну-две ступени больше, «чтобы работал с запасом и тихо». Магнитный гул большого двигателя, работающего с малой нагрузкой, не уменьшается, а охлаждающий вентилятор у него больше. В результате чаще всего уровень шума выше, а коэффициент мощности ниже. Если двигатель выбран так, чтобы в рабочей точке он был нагружен на разумную долю номинальной мощности, он работает более сбалансированно как по шуму, так и по КПД.

Тонкий гул у двигателей, работающих с преобразователем

У двигателя с питанием от преобразователя частоты слышен иной звук, чем при прямом питании от сети: тонкий высокий свист, создаваемый несущей частотой. Этот звук не является неисправностью двигателя. Повышение несущей частоты в преобразователе смещает звук в область, к которой человеческое ухо менее чувствительно; зато растут коммутационные потери в преобразователе и может снизиться его токовая нагрузочная способность. Эту настройку следует обязательно выполнять по таблице изготовителя преобразователя.

У преобразователя есть и преимущество: снижение расхода и частоты вращения в ночные часы уменьшает шум вентилятора одновременно и в двигателе, и в приводимом рабочем колесе. Однако у двигателей с вентилятором на валу (IC411) длительная работа на низкой частоте вращения ухудшает охлаждение; при таком режиме работы необходимость внешнего вентилятора следует оценить до заказа.

Если источник шума — не двигатель, а монтаж

Значительная часть шумов, на которые жалуются, возникает не в двигателе. Двигатель, одна лапа которого не прилегает полностью к основанию («мягкая лапа»), рама из тонкого листа с собственным резонансом на частоте вращения двигателя, перетянутый ремень или несоосная муфта делают шумным даже тихий двигатель. Для проверки центровки валов в такой ситуации обратитесь к руководству по выбору муфты и центровке валов. В каком диапазоне значения вибрации допустимы, подробно рассказано в нашей статье о допустимых значениях вибрации.

Практические меры просты: установить двигатель на жёсткое и ровное основание, при необходимости поставить виброизоляторы между рамой и зданием, использовать гибкие вставки в соединениях воздуховодов и выставить натяжение ремня по значению изготовителя.

Что нужно уточнить до заказа

Запрос «нам нужен тихий двигатель» сам по себе не является выполнимым техническим требованием. Указание следующих сведений при запросе предложения позволяет быстро найти нужное изделие:

• Допустимый предел шума, на каком расстоянии и в каком виде требуется это значение — как звуковая мощность или звуковое давление (почему это различие важно, вы найдёте в статье о разнице между звуковой мощностью и звуковым давлением),
• Применение, частота вращения или число полюсов и фактическая рабочая мощность,
• Будет ли двигатель работать с преобразователем и диапазон частоты вращения,
• Монтажное исполнение, температура окружающей среды и будет ли двигатель находиться в закрытом объёме или на открытом пространстве.

Для ориентира: в трёхфазных сериях каталога HEM Motor уровень шума в зависимости от мощности, числа полюсов и габарита составляет примерно 58–75 dB(A), а в семействе IE5 1500 об/мин — примерно 52–70 dB(A). Роторы динамически балансируются по классу G2.5 / G6.3, целевое значение вибрации — примерно 1,8 mm/s и ниже. Точное значение для каждой модели приводится в протоколе испытаний.

Кратко

Порядок решения проблемы шума чаще всего таков: определить источник, по возможности снизить частоту вращения, обеспечить работу двигателя с правильной нагрузкой, скорректировать настройку преобразователя и монтаж. Если вы обратитесь к нашей технической команде, сообщив допустимый уровень шума и условия работы в вашем применении, мы вместе подберём подходящий вариант по числу полюсов и габариту.

Часто задаваемые вопросы

Насколько снизится шум, если заменить 2-полюсный двигатель 4-полюсным?

Точная разница зависит от мощности и габарита, но 4-полюсный двигатель той же мощности, как правило, заметно тише, поскольку его охлаждающий вентилятор вращается с половинной скоростью. Перед заменой следует заново рассчитать потребную частоту вращения приводимой машины и передаточное отношение шкивов или редуктора.

Является ли решением звукоизоляционный кожух на двигателе?

Закрытый кожух может снизить шум, но он также перекрывает охлаждающий воздух двигателя и повышает температуру обмотки. Если нужен кожух, следует спроектировать акустический кожух с рассчитанным путём вентиляции, отводящий тепло двигателя наружу, и соответствующим образом оценить температуру окружающей среды.

Новый двигатель в первые дни был тихим, а потом шум усилился; в чём может быть причина?

Наиболее частые причины — ослабление болтов основания, вытягивание ремня в период приработки и смещение центровки муфты. Если шум перешёл в хрип со стороны подшипника, следует проверить состояние смазки и не было ли удара по валу при монтаже.

Вредит ли двигателю повышение несущей частоты преобразователя?

Для двигателя это, как правило, не создаёт проблем; более того, поскольку пульсации тока уменьшаются, температура обмотки может немного снизиться. Основное влияние приходится на преобразователь: коммутационные потери растут, и поскольку его длительный ток может снизиться, выбор следует проверить по таблице преобразователя.